鐵科院環(huán)行試驗線曲線連接裝置動力性能試驗研究

閆曉春，晉　杰，孫　軍，王宏謀，尤瑞林（.中國鐵道科學研究院國家鐵道試驗中心，北京　0005；.北京縱橫機電技術開發(fā)公司，北京　0008；.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　0008）

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鐵科院環(huán)行試驗線曲線連接裝置動力性能試驗研究

閆曉春1，晉杰1，孫軍1，王宏謀2，尤瑞林3
（1.中國鐵道科學研究院國家鐵道試驗中心，北京100015；2.北京縱橫機電技術開發(fā)公司，北京100081；3.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

摘要曲線連接裝置用于連接環(huán)行試驗線內(nèi)環(huán)線和外環(huán)線，通過調(diào)整鋼軌的位置實現(xiàn)線路方向的轉(zhuǎn)換。本文通過曲線連接裝置動力性能試驗，測試連接裝置的運行安全性，軌道結(jié)構(gòu)動荷載、動變形、振動等性能。試驗結(jié)果表明:連接裝置處的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、鋼軌橫向和垂向位移、鋼軌振動加速度、軌枕振動加速度等各項檢測指標均符合相關規(guī)范的要求。但與普通線路相比，其脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、外軌橫向位移和軌距動態(tài)變化量有所增大；輪重減載率、內(nèi)軌橫向位移、內(nèi)軌垂向位移和鋼軌振動加速度與普通線路比較接近；外軌垂向位移和軌枕振動加速度明顯小于普通線路。建議采取提高連接裝置軌道檢修頻次、加強道床搗固等必要措施，進一步優(yōu)化連接裝置軌道結(jié)構(gòu)，提升其穩(wěn)定性。

關鍵詞環(huán)行試驗線；曲線連接裝置；有砟軌道；動力性能；試驗研究

1　研究概述

鐵科院環(huán)行試驗線大環(huán)線平面呈正圓曲線。1958年建成時，小環(huán)線與大環(huán)線采用撥道的方法接軌［1］。1991年為滿足“廣深線提速試驗”的需求，減少頻繁撥道對線路特別是道床穩(wěn)定性的影響，研制了曲線連接裝置，用于實現(xiàn)線路方向的轉(zhuǎn)換［2］。2008年對曲線連接裝置進行了優(yōu)化改造，改善了連接裝置的運用條件［3-4］。曲線連接裝置平面位置如圖1所示。

圖1　曲線連接裝置平面位置示意

大環(huán)線與小環(huán)線的內(nèi)軌軌頂高程相同但外軌軌頂高程不同，為保證兩個方向線路的平順性，在設計連接裝置時，將連接裝置的軌枕設計為水平放置，利用安裝在軌枕上的鋼臺座實現(xiàn)曲線超高，并通過調(diào)整臺座和鋼軌的位置，來實現(xiàn)線路方向的轉(zhuǎn)換，如圖2所示。連接裝置處為有砟軌道，使用Ⅰ級道砟、混凝土岔枕、彈條Ⅱ型扣件和60 kg/m鋼軌。

圖2　曲線連接裝置

如圖3所示，曲線連接裝置有兩個主要特點：①普通線路通過軌枕斜放實現(xiàn)曲線超高，而連接裝置的軌枕是水平放置，通過鋼臺座實現(xiàn)曲線超高；②與普通線路軌道相比，連接裝置軌道在鋼軌和軌枕之間增加了1個鋼臺座和1塊橡膠墊板。

由于存有上述兩個差異，必然導致連接裝置軌道在受力上會與普通線路軌道有所不同，并且每季度軌檢時，連接裝置軌道不平順問題較普通線路要多。因此，為了進一步掌握連接裝置軌道的性能，開展了對連接裝置軌道動力性能的試驗研究。

圖3　連接裝置與普通線路軌道結(jié)構(gòu)對比

2　試驗內(nèi)容

軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)檢測項目主要包括運行安全性、軌道結(jié)構(gòu)動荷載、軌道結(jié)構(gòu)動變形和軌道結(jié)構(gòu)振動［5］。其中，運行安全性檢測脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力；軌道結(jié)構(gòu)動荷載檢測輪軌水平力和輪軌垂直力；軌道結(jié)構(gòu)動變形檢測鋼軌垂向位移、鋼軌橫向位移和軌距動態(tài)變化量；軌道結(jié)構(gòu)振動檢測鋼軌振動加速度和軌枕振動加速度［6］。根據(jù)以上檢測指標，分析軌道結(jié)構(gòu)的動力性能。

本次動態(tài)測試設置2個測點，其中1個位于普通線路曲線上，作為對比測點，曲線半徑、坡度與連接裝置相同；另外1個位于連接裝置上，為了避免2個測點之間的相互干擾，2個測點相距100 m。

測點布置示意如圖4。

圖4　測點布置示意

本次試驗列車為唐山軌道客車有限責任公司生產(chǎn)的城際動車組，列車全長99. 7 m，軸重17 t，正式試驗時最高運行速度176 km/h。試驗共測試14次。

通過測試連接裝置的運行安全性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和振動特性，了解連接裝置軌道結(jié)構(gòu)的動力學性能，為進一步優(yōu)化連接裝置的軌道結(jié)構(gòu)提供支持。

3　試驗結(jié)果及分析

3. 1運行安全性

按照《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》（TB /T 2489—1994）中的規(guī)定，采用剪應力法檢測輪軌垂直力P和輪軌水平力H，據(jù)此計算機車車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等運行安全性指標［7］。

試驗測得：連接裝置處脫軌系數(shù)最大值為0. 12，輪重減載率最大值為0. 13，輪軸橫向力最大值為14. 8 kN，均滿足《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術規(guī)范》（TB 10761—2013）的要求。

普通線路段和連接裝置處的運行安全性指標對比如圖5?？梢姡哼B接裝置處的脫軌系數(shù)和輪軸橫向力基本上大于普通線路段的脫軌系數(shù)；而連接裝置處的輪重減載率與普通線路段非常接近。分析認為，雖然連接裝置處的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等運行安全性指標均滿足限值要求，但由于連接裝置處軌枕水平放置且使用鋼臺座實現(xiàn)軌道超高，與普通線路軌道相比，其脫軌系數(shù)和輪軸橫向力有所增大。

圖5　普通線路段和連接裝置處的運行安全性指標對比

3. 2軌道結(jié)構(gòu)動荷載

通過測試軌道的輪軌垂直力和水平力，可研究軌道部件的受力性能［8-9］。輪軌垂直力和輪軌水平力的合格標準是：輪軌垂直力P≤120 kN；輪軌水平力H≤50 kN［5］。

試驗測得：連接裝置處內(nèi)軌的輪軌垂直力最大值為61. 8 kN，輪軌水平力最大值為10 kN；連接裝置處外軌的輪軌垂直力最大值為68. 7 kN，輪軌水平力最大值為8. 4 kN，均滿足合格標準的要求。

普通線路段和連接裝置處軌道結(jié)構(gòu)動荷載指標對比如圖6?？梢姡哼B接裝置處內(nèi)外軌的垂直力和水平力都大于普通線路段，而且外軌水平力偏大的幅度較大。說明，采用連結(jié)裝置形式的軌道結(jié)構(gòu)會導致軌道承受的動荷載增大。

圖6　普通線路段與連接裝置處軌道結(jié)構(gòu)動荷載指標對比

3. 3軌道結(jié)構(gòu)動變形

通過測試軌道結(jié)構(gòu)動變形指標，可研究在外力作用下軌道結(jié)構(gòu)的變形性能［8-9］。鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移和軌距動態(tài)變化量的合格標準為：鋼軌橫向位移≤1. 5 mm，鋼軌垂向位移≤2. 0 mm，軌距動態(tài)變化量≤3. 0 mm［5］。

試驗測得：連接裝置處內(nèi)軌橫向位移最大值為0. 91 mm，內(nèi)軌垂向位移最大值為0. 53 mm；連接裝置處外軌橫向位移最大值為0. 80 mm，外軌垂向位移最大值為0. 40 mm；連接裝置處軌距動態(tài)變化量最大值為1. 57 mm。鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移和軌距動態(tài)變化量實測值均在規(guī)定的限值范圍之內(nèi)。

圖7　連接裝置處和普通線路段軌道結(jié)構(gòu)動變形指標對比

連接裝置處和普通線路段軌道結(jié)構(gòu)動變形指標對比如圖7?？梢姡孩僭诹熊嚭奢d作用下連接裝置處內(nèi)軌橫向位移、垂向位移與普通線路段比較接近，說明連接裝置軌道結(jié)構(gòu)在控制內(nèi)軌橫向位移、垂向位移方面還是比較穩(wěn)定的。②連接裝置處外軌橫向位移大于普通線路段，并且偏大的幅度較大。說明連接裝置軌道結(jié)構(gòu)在控制外軌橫向位移方面還需進一步改善和加強。③連接裝置處外軌垂向位移明顯小于普通線路段。分析認為，連接裝置在結(jié)構(gòu)上增加了鋼臺座和墊板，軌道結(jié)構(gòu)縱向剛度比較大，在控制外軌垂向位移方面優(yōu)于普通軌道。④受連接裝置處外軌橫向位移較大的影響，軌距動態(tài)變化量也偏大。

3. 4軌道結(jié)構(gòu)振動

通過測試鋼軌和軌枕的垂向振動加速度，可分析在列車作用下鋼軌和軌枕的振動關系和特性［8-9］。鋼軌和軌枕振動加速度的合格標準是：鋼軌振動加速度≤3 000 m/s2，軌枕振動加速度≤500 m/s2［5］。

試驗測得：連接裝置處鋼軌振動加速度最大值為1 463. 2 m/s2；軌枕振動加速度最大值為53. 8 m/s2。鋼軌振動加速度和軌枕振動加速度實測值均在規(guī)定的限值范圍之內(nèi)。

連接裝置處和普通線路段軌道結(jié)構(gòu)振動性能指標見圖8。可以看出，連接裝置處鋼軌振動加速度與普通線路段比較接近，而連接裝置處軌枕振動加速度明顯小于普通線路段。分析認為，連接裝置處與普通線路段鋼軌、扣件和軌下膠墊都是一致的，其剛度沒有發(fā)生變化；而連接裝置處鋼軌與軌枕之間有鋼臺座和墊板，軌道結(jié)構(gòu)縱向剛度有所增大。

圖8　連接裝置處和普通線路段軌道結(jié)構(gòu)振動性能指標對比

4　結(jié)論和建議

1）通過試驗檢測，在列車荷載作用下連接裝置處的運行安全性、軌道結(jié)構(gòu)動荷載、軌道結(jié)構(gòu)動變形和軌道結(jié)構(gòu)振動4個方面的各項檢測指標（脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、鋼軌橫向和垂向位移、鋼軌振動加速度、軌枕振動加速度等）均在規(guī)定的限制范圍內(nèi)。綜合測試數(shù)據(jù)分析，連接裝置軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、軌道部件強度及動力平順性等性能符合相關規(guī)范和規(guī)定的要求。

2）通過與普通線路段的對比分析，連接裝置處軌道的脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、外軌橫向位移和軌距動態(tài)變化量較普通線路段有所增大；輪重減載率、內(nèi)軌橫向位移、內(nèi)軌垂向位移和鋼軌振動加速度與普通線路段比較接近；外軌垂向位移和軌枕振動加速度小于普通線路段。

3）每季度軌檢時，連接裝置處軌道幾何狀態(tài)未出現(xiàn)三級超限，處于正常保養(yǎng)狀態(tài)，滿足我國鐵路線路養(yǎng)護維修相關規(guī)定的要求［10］。但與普通線路相比，連接裝置處不平順問題比較多，屬于重點養(yǎng)護維修區(qū)域。建議采取提高連接裝置處軌道檢修頻次、加強道床搗固等必要的措施，保證連接裝置處軌道的穩(wěn)定性和平順性。同時，應進一步優(yōu)化連接裝置軌道結(jié)構(gòu)，減小其輪軸橫向力、鋼軌橫向位移等，提升連接裝置軌道穩(wěn)定性。

參考文獻

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（責任審編葛全紅）

Experimental Study on Dynamic Performance of Curve Connection Device of CARS Loop Test Line

YAN Xiaochun1，JIN Jie1，SUN Jun1，WANG Hongmou2，YOU Ruilin3
（1. National Railway Track Test Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100015，China；2. Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Company，Beijing 100081，China；3. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractT he curve connection device is used to connect the inner ring and the outer ring in Loop T est Line，and the line is switched by adjusting the connection device. T hrough the dynamic performance test for Curve Connection Device，the operating safety performance，dynamic load，dynamic deformation and track structure vibration of Curve Connection Device were tested and analyzed. T he results show that the Dynamic performance indicators，such as derailment coefficient，the rate of wheel load reduction，lateral wheelset force，horizontal force between wheel and rail，wheel rail vertical force，rail lateral and vertical displacement，rail vibration acceleration and sleeper vibration acceleration，meet the requirements of the relevant specifications. Compared with the normal rail，the derailment coefficient，lateral force of wheel shaft，wheel/rail lateral force，wheel/rail vertical force，lateral displacement of external rail are increased；wheel load reduction rate，internal rail lateral displacement，internal rail vertical displacement and rail vibration acceleration are close to those for the normal rail；the outer rail vertical displacement and sleeper vibration acceleration are significantly decreased. It is suggested to increase the track inspection frequency and emphasize on ballast roadbed compactness. T hus，the Curve Connection Device is improved and has better stability.

Key wordsLoop test line；Curve Connection Device；Ballasted track；Dynamic performance；Experimental test

中圖分類號U213. 2

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 37

文章編號：1003-1995（2016）06-0141-05

收稿日期：2016-02-10；修回日期：2016-03-31

基金項目：中國鐵道科學研究院基金（2014YJ068）

作者簡介：閆曉春（1984—），男，工程師。